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Neuropsychiatric disorders are complex, highly heritable but incompletely understood disorders. The clinical and genetic heterogeneity of these disorders poses a significant challenge to the identification of disorder related biomarkers. Besides significant progress in unveiling the genetic basis of these disorders, the underlying causes and biological mechanisms remain obscure. With the advancement in the array, sequencing, and big data technologies, a huge amount of data is generated from individuals across different platforms and in various data structures. But there is a paucity of bioinformatics tools that can integrate this plethora of data. Therefore, there is a need to develop an integrative bioinformatics data analysis tool that combines biological and clinical data from different data types to better understand the underlying genetics.
This thesis presents a bioinformatics pipeline implementing data from different platforms to provide a thorough understanding of the genetic etiology of a neuropsychiatric quantitative as well as a qualitative trait of interest. Throughout the thesis, we present two aspects: one is the development and architecture of the bioinformatics pipeline named MApping the Genetics of neuropsychiatric traits to the molecular NETworks of the human brain (MAGNET). The other part demonstrates the implementation and usefulness of MAGNET analysing large Autism Spectrum Disorder (ASD) cohorts.
MAGNET is a freely available command-line tool available on GitHub (https://github.com/SheenYo/MAGNET). It is implemented within one framework using data integration approaches based on state-of-the-art algorithms and software to ultimately identify the genes and pathways genetically associated with a trait of interest. MAGNET provides an edge over the existing tools since it performs a comprehensive analysis taking care of the data handling and parsing steps necessary to communicate between the different APIs (Application Program Interface). Thus, this avoids the in-between data handling steps required by researchers to provide output from one analysis to the next. Moreover, depending on the size of the dataset users can deduce important information regarding their trait of interest within a time frame of a few days. Besides gaining insights into genetic associations, one of the central features is the mapping of the associated genes onto developing human brain implementing transcriptome data of 16 different brain regions starting from the 5th post-conceptional week to over 40 years of age.
In the second part as proof of concept, we implemented MAGNET on two ASD cohorts. ASD is a group of psychiatric disorders. Clinically, ASD is characterized by the following psychopathology: A) limitations in social interaction and communication, and B) restricted, repetitive behavior. The etiology of this disorder is extremely complex due to its heterogeneous clinical traits and genetics. Therefore, to date, no reliable biomarkers are identified. Here, the aim is to characterize the genetic architecture of ASD taking into account the two aforementioned ASD diagnostic domains. As well as to investigate if these domains are genetically linked or independent of each other. Moreover, we addressed the question if these traits share genetic risk with the categorical diagnosis of ASD and how much of the phenotypic variance of these traits can be explained by the underlying genetics.
We included affected individuals from two ASD cohorts, i.e. the Autism Genome Project (AGP) and a German cohort consisting of 2,735 and 705 families respectively. MAGNET was applied to each of the ASD subdomains as a quantitative dependent variable. MAGNET is divided into five main sections i.e. (1) quality check of the genotype data, (2) imputation of missing genotype data, (3) association analysis of genotype and trait data, (4) gene-based analysis, and (5) enrichment analysis using gene expression data from the human brain.
MAGNET was applied to each of the individual traits in each cohort to perform quality control of the genetic data and imputed the missing data in an automated fashion. MAGNET identified 292 known and new ASD risk genes. These genes were subsequently assigned to biological signaling pathways and gene ontologies via MAGNET. The underlying biological mechanisms converged with respect to neuronal transmission and development processes. By reconciling these genes with the transcriptome of the developing human brain, MAGNET was able to identify that the significant genes associated with the subdomains are expressed at specific time points in brain areas such as the hippocampus, amygdala, and cortical regions. Further, we found that ASD subdomains related to domain A but not
to domain B have a shared genetic etiology.
Measuring information processing in neural data: The application of transfer entropy in neuroscience
(2017)
It is a common notion in neuroscience research that the brain and neural systems in general "perform computations" to generate their complex, everyday behavior (Schnitzer, 2002). Understanding these computations is thus an important step in understanding neural systems as a whole (Carandini, 2012;Clark, 2013; Schnitzer, 2002; de-Wit, 2016). It has been proposed that one way to analyze these computations is by quantifying basic information processing operations necessary for computation, namely the transfer, storage, and modification of information (Langton, 1990; Mitchell, 2011; Mitchell, 1993;Wibral, 2015). A framework for the analysis of these operations has been emerging (Lizier2010thesis), using measures from information theory (Shannon, 1948) to analyze computation in arbitrary information processing systems (e.g., Lizier, 2012b). Of these measures transfer entropy (TE) (Schreiber2000), a measure of information transfer, is the most widely used in neuroscience today (e.g., Vicente, 2011; Wibral, 2011; Gourevitch, 2007; Vakorin, 2010; Besserve, 2010; Lizier, 2011; Richter, 2016; Huang, 2015; Rivolta, 2015; Roux, 2013). Yet, despite this popularity, open theoretical and practical problems in the application of TE remain (e.g., Vicente, 2011; Wibral, 2014a). The present work addresses some of the most prominent of these methodological problems in three studies.
The first study presents an efficient implementation for the estimation of TE from non-stationary data. The statistical properties of non-stationary data are not invariant over time such that TE can not be easily estimated from these observations. Instead, necessary observations can be collected over an ensemble of data, i.e., observations of physical or temporal replications of the same process (Gomez-Herrero, 2010). The latter approach is computationally more demanding than the estimation from observations over time. The present study demonstrates how to handles this increased computational demand by presenting a highly-parallel implementation of the estimator using graphics processing units.
The second study addresses the problem of estimating bivariate TE from multivariate data. Neuroscience research often investigates interactions between more than two (sub-)systems. It is common to analyze these interactions by iteratively estimating TE between pairs of variables, because a fully multivariate approach to TE-estimation is computationally intractable (Lizier, 2012a; Das, 2008; Welch, 1982). Yet, the estimation of bivariate TE from multivariate data may yield spurious, false-positive results (Lizier, 2012a;Kaminski, 2001; Blinowska, 2004). The present study proposes that such spurious links can be identified by characteristic coupling-motifs and the timings of their information transfer delays in networks of bivariate TE-estimates. The study presents a graph-algorithm that detects these coupling motifs and marks potentially spurious links. The algorithm thus partially corrects for spurious results due to multivariate effects and yields a more conservative approximation of the true network of multivariate information transfer.
The third study investigates the TE between pre-frontal and primary visual cortical areas of two ferrets under different levels of anesthesia. Additionally, the study investigates local information processing in source and target of the TE by estimating information storage (Lizier, 2012) and signal entropy. Results of this study indicate an alternative explanation for the commonly observed reduction in TE under anesthesia (Imas, 2005; Ku, 2011; Lee, 2013; Jordan, 2013; Untergehrer, 2014), which is often explained by changes in the underlying coupling between areas. Instead, the present study proposes that reduced TE may be due to a reduction in information generation measured by signal entropy in the source of TE. The study thus demonstrates how interpreting changes in TE as evidence for changes in causal coupling may lead to erroneous conclusions. The study further discusses current bast-practice in the estimation of TE, namely the use of state-of-the-art estimators over approximative methods and the use of optimization procedures for estimation parameters over the use of ad-hoc choices. It is demonstrated how not following this best-practice may lead to over- or under-estimation of TE or failure to detect TE altogether.
In summary, the present work proposes an implementation for the efficient estimation of TE from non-stationary data, it presents a correction for spurious effects in bivariate TE-estimation from multivariate data, and it presents current best-practice in the estimation and interpretation of TE. Taken together, the work presents solutions to some of the most pressing problems of the estimation of TE in neuroscience, improving the robust estimation of TE as a measure of information transfer in neural systems.
Proteins are biological macromolecules playing essential roles in all living organisms.
Proteins often bind with each other forming complexes to fulfill their function. Such protein complexes assemble along an ordered pathway. An assembled protein complex can often be divided into structural and functional modules. Knowing the order of assembly and the modules of a protein complex is important to understand biological processes and treat diseases related to misassembly.
Typical structures of the Protein Data Bank (PDB) contain two to three subunits and a few thousand atoms. Recent developments have led to large protein complexes being resolved. The increasing number and size of the protein complexes demand for computational assistance for the visualization and analysis. One such large protein complex is respiratory complex I accounting for 45 subunits in Homo sapiens.
Complex I is a well understood protein complex that served as case study to validate our methods.
Our aim was to analyze time-resolved Molecular Dynamics (MD) simulation data, identify modules of a protein complex and generate hypotheses for the assembly pathway of a protein complex. For that purpose, we abstracted the topology of protein complexes to Complex Graphs of the Protein Topology Graph Library (PTGL). The subunits are represented as vertices, and spatial contacts as edges. The edges are weighted with the number of contacts based on a distance threshold. This allowed us to apply graph-theoretic methods to visualize and analyze protein complexes.
We extended the implementations of two methods to achieve a computation of Complex Graphs in feasible runtimes. The first method skipped checks for contacts using the information which residues are sequential neighbors. We extended the method to protein complexes and structures containing ligands. The second method introduced spheres encompassing all atoms of a subunit and skipped the check for contacts if the corresponding spheres do not overlap. Both methods combined allowed skipping up to 93 % of the checks for contacts for sample complexes of 40 subunits compared to up to 10 % of the previous implementation. We showed that the runtime of the combined method scaled linearly with the number of atoms compared to a non-linear scaling of the previous implementation We implemented a third method fixing the assignment of an orientation to secondary structure elements. We placed a three-dimensional vector in each secondary structure element and computed the angle between secondary structure elements to assign an orientation. This method sped up the runtime especially for large structures, such as the capsid of human immunodeficiency virus, for which the runtime decreased from 43 to less than 9 hours.
The feasible runtimes allowed us to investigate two data sets of MD trajectories of respiratory complex I of Thermus thermophilus that we received. The data sets differ only by whether ubiquinone is bound to the complex. We implemented a pipeline, PTGLdynamics, to compute the contacts and Complex Graphs for all time steps of the trajectories. We investigated different methods to track changes of contacts during the simulation and created a heat map put onto the three-dimensional structure visualizing the changes. We also created line plots to visualize the changes of contacts over the course of the simulation. Both visualizations helped spotting outstandingly flexible or rigid regions of the structure or time points of the simulation in which major dynamics occur.
We introduced normalizations of the edge weights of Complex Graphs for identi-fying modules and predicting the assembly pathway. The idea is to normalize the number of contacts for the number of residues of a subunit. We defined five different normalizations.
To identify structural and functional modules, we applied the Leiden graph clustering algorithm to the Complex Graphs of respiratory complex I and the respiratory supercomplex. We examined the results for the different normalizations of the weights of the Complex Graphs. The absolute edge weight produced the best result identifying three of four modules that have been defined in the literature for respiratory complex I.
We applied agglomerative hierarchical clustering to the edges of a Complex Graph to create hypotheses of the assembly pathway. The rationale was that subunits with an extensive interface in the final structure assemble early. We tested our method against two existing methods on a data set of 21 proteins with reported assembly pathways. Our prediction outperformed the other methods and ran in feasible runtimes of a few minutes at most.
We also tested our method on respiratory complex I, the respiratory supercomplex and the respiratory megacomplex. We compared the results for the different normalizations with an assembly pathway of respiratory complex I described in the literature. We transformed the assembly pathways to dendrograms and compared the predictions to the reference using the Robinson-Foulds distance and clustering information distance. We analyzed the landscape of the clustering information distance by generating random dendrograms and showed that our result is far better than expected at random. We showed in a detailed analysis that the assembly prediction using one normalization was able to capture key features of the assembly pathway that has been proposed in the literature.
In conclusion, we presented different applications of graph theory to automatically analyze the topology of protein complexes. Our programs run in feasible runtimes even for large complexes. We showed that graph-theoretic modeling of the protein structure can be used to analyze MD simulation data, identify modules of protein complexes and predict assembly pathways.
Spin(9)-invariant valuations
(2013)
The first aim of this thesis is to give a Hadwiger-type theorem for the exceptional Lie group Spin(9). The space of Spin(9)-invariant k-homogeneous valuations is studied through the construction of an exact sequence involving some spaces of differential forms. We present then a description of the spin representation using the properties of the 8-dimensional division algebra of the octonions. Using this description as well as representation-theoretic formulas, we can compute the dimensions of the spaces of differential forms appearing in the exact sequence. Hence we obtain the dimensions of the spaces of k-homogeneous Spin(9)-invariant valuations for k=0,1,...,16.
In the second part of this work, we construct one new element for a basis of one of these spaces. It is clear, that the k-th intrinsic volume is also Spin(9)-invariant. The last chapter of this work presents the construction of a new 2-homogeneous Spin(9)-invariant valuation. On a Riemannian manifold (M,g), we construct a valuation by integrating the curvature tensor over the disc bundle. We associate to this valuation on M a family of valuations on the tangent spaces. We show that these valuations are even and homogeneous of degree 2. Moreover, since the valuation on M is invariant under the action of the isometry group of M, the induced valuation on the tangent space in a point p in M is invariant under the action of the stabilisator of p for all p in M. In the special case where M is the octonionic projective plane, this construction yields an even, homogeneous of degree 2, Spin(9)-invariant valuation, whose Klain function is not constant, i.e. which is linearly independent of the second intrinsic volume.
In dieser Arbeit werden drei Themenkomplexe aus dem Bereich der Externspeicheralgorithmen näher beleuchtet: Approximationsalgorithmen, dynamische Algorithmen und Echtzeitanfragen. Das Thema Approximationsalgorithmen wird sowohl im Kapitel 3 als auch im Kapitel 5 behandelt.
In Kapitel 3 wird ein Algorithmus vorgestellt, welcher den Durchmesser eines Graphen heuristisch bestimmt. Im RAM- Modell ist eine modifizierte Breitensuche selbst ein günstiger und äußerst genauer Algorithmus. Dies ändert sich im Externspeicher. Dort ist die Hauptspeicher-Breitensuche durch die O(n + m) unstrukturierten Zugriffe auf den externen Speicher zu teuer. 2008 wurde von Meyer ein Verfahren zu effizienten Approximation des Graphdurchmessers im Externspeicher gezeigt, welches O(k · scan(n + m) + sort(n + m) + √(n·m/k·B)· log(n/k) + MST(n, m)) I/Os bei einem multiplikativen Approximationsfehler von O(√k · log (k)) benötigt. Die Implementierung, welche in dieser Arbeit vorgestellt wird, konnte in vielen praktischen Fällen die Anzahl an I/Os durch Rekursion auf O(k · scan(n + m) + sort(n + m) + MST(n, m)) I/Os reduzieren. Dabei wurden verschiedene Techniken untersucht, um die Auswahl der Startpunkte (Masterknoten) zum rekursiven Schrumpfen des Graphen so wählen zu können, dass der Fehler möglichst klein bleibt. Weiterhin wurde eine adaptive Regel eingeführt, um nur so viele Masterknoten zu wählen, dass der geschrumpfte Graph nach möglichst wenigen Rekursionsaufrufen in den Hauptspeicher passt. Es wirdgezeigt, dass die untere Schranke für den worst case-Fehler dabei auf Ω(k^{4/3−e}) mit hoher Wahrscheinlichkeit steigt. Die experimentelle Auswertung zeigt jedoch, dass in der Praxis häufig deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden.
In Kapitel 4 wird ein Algorithmus vorgestellt, welcher, nach dem Einfügen einer neuen Kante in einen Graphen, den zugehörigen Baum der Breitensuche unter Verwendung von O(n · (n/B^{2/3} + sort(n) · log (B))) I/Os mit hoher Wahrscheinlichkeit aktualisiert. Dies ist für hinreichend große B schneller als die statische Neuberechnung. Zur Umsetzung des Algorithmus wurde eine neue deterministische Partitionsmethode entwickelt, bei der die Größe der Cluster balanciert und effizient veränderbar ist. Hierfür wird ein Dendrogramm des Graphen auf einer geeigneten Baumrepräsentation, wie beispielsweise Spannbaum, berechnet. Dadurch hat jeder Knoten ein Label, welches aufgrund seiner Lage innerhalb der Baumrepräsentation berechnet worden ist. Folglich kann mittels schneller Bit-Operationen das Label um niederwertige Stellen gekürzt werden, um Cluster der Größe µ = 2 i zu berechnen, wobei der Clusterdurchmesser auf µ beschränkt ist, was für die I/O-Komplexität gewährleistet sein muss, da der Trade-off aus MM_BFS zwischen Cluster- und Hotpoolgröße genutzt wird. In der experimentellen Auswertung wird gezeigt, dass die Performanz von dynamischer Breitensuche sowohl auf synthetischen als auch auf realen Daten oftmals schneller ist als eine statische Neuberechnung des Baums der Breitensuche. Selbst wenn dies nicht der Falls ist, so sind wir nur um kleine, konstante Faktoren langsamer als die statische Implementierung von MM_BFS.
Schließlich wird in Kapitel 5 ein Approximationsalgorithmus vorgestellt, welcher sowohl dynamische Komponenten beinhaltet als auch die Eigenschaft besitzt, Anfragen in Echtzeit zu beantworten. Um die Echtzeitfähigkeit zu erreichen, darf eine Anfrage nur O(1) I/Os hervorrufen. Im Szenario dieser Arbeit wurden Anfragen zu Distanzen zwischen zwei beliebigen Knoten u und v auf realen Graphdaten mittels eines Distanzorakels beantwortet. Es wird eine Implementierung sowohl für mechanische Festplatten als auch für SSDs vorgestellt, wobei kontinuierliche Anfragen im Onlineszenario von SSDs in Millisekunden gelöst werden können, während ein großer Block von Anfragen auf beiden Architekturen in Mikrosekunden pro Anfrage amortisiert gelöst werden kann.
Due to the resurrection of data-hungry models (such as deep convolutional neural nets), there is an increasing demand for large-scale labeled datasets and benchmarks in the computer vision fields (CV). However, collecting real data across diverse scene contexts along with high-quality annotations is often expensive and time-consuming, especially for detailed pixel-level label prediction tasks such as semantic segmentation, etc. To address the scarcity of real-world training sets, recent works have proposed the use of computer graphics (CG) generated data to train and/or characterize performance of modern CV systems. CG based virtual worlds provide easy access to ground truth annotations and control over scene states. Most of these works utilized training data simulated from video games and pre-designed virtual environments and demonstrated promising results. However, little effort has been devoted to the systematic generation of massive quantities of sufficiently complex synthetic scenes for training scene understanding algorithms. In this work, we develop a full pipeline for simulating large-scale datasets along with per-pixel ground truth information. Our simulation pipeline constitutes of mainly two components: (a) a stochastic scene generative model that automatically synthesizes traffic scene layouts by using marked point processes coupled with 3D CAD objects and factor potentials, (b) an annotated-image rendering tool that renders the sampled 3D scene as RGB image with a chosen rendering method along with pixel-level annotations such as semantic labels, depth, surface normals etc. This pipeline is capable of automatically generating and rendering a potentially infinite variety of outdoor traffic scenes that can be used to train convolutional neural nets (CNN).
However, several recent works, including our own initial experiments demonstrated that the CV models that are trained naively on simulated data lack generalization capabilities to real-world scenes. This opens up several fundamental questions about what is it lacking in simulated data compared to real data and how to use it effectively. Furthermore, there has been a long debate since 1980’s on the usefulness of CG generated data for tuning CV systems. Primarily, the impact of modeling errors and computational rendering approximations, due to various choices in the rendering pipeline, on trained CV systems generalization performance is still not clear. In this thesis, we take a case study in the context of traffic scenarios to empirically analyze the performance degradations when CV systems trained with virtual data are transferred to real data. We first explore system performance tradeoffs due to the choice of the rendering engine (e.g., Lambertian shader (LS), ray-tracing (RT), and Monte-Carlo path tracing (MCPT)) and their parameters. A CNN architecture, DeepLab, that performs semantic segmentation, is chosen as the CV system being evaluated. In our case study, involving traffic scenes, a CNN trained with CG data samples generated with photorealistic rendering methods (such as RT or MCPT), shows already a reasonably good performance on real-world testing data from CityScapes benchmark. Use of samples from an elementary rendering method, i.e., LS, degraded the performance of CNN by nearly 20%. This result conveys that training data must be photorealistic enough for better generalizability of the trained CNN models. Furthermore, the use of physics-based MCPT rendering improved the performance by 6% but at the cost of more than three times the rendering time. This MCPT generated dataset when augmented with just 10% of real-world training data from CityScapes dataset, the performance levels achieved are comparable to that of training CNN with the complete CityScapes dataset.
The next aspect we study in the thesis involves the impact of choice of parameter settings of scene generation model on the generalization performance of CNN models trained with the generated data. Towards this end, we first propose an algorithm to estimate our scene generation model parameters given an unlabeled real world dataset from the target domain. This unsupervised tuning approach utilizes the concept of generative adversarial training, which aims at adapting the generative model by measuring the discrepancy between generated and real data in terms of their separability in the space of a deep discriminatively-trained classifier. Our method involves an iterative estimation of the posterior density of prior distributions for the generative graphical model used in the simulation. Initially, we assume uniform distributions as priors over parameters of a scene described by our generative graphical model. As iterations proceed the uniform prior distributions are updated sequentially to distributions for the simulation model parameters that leads to simulated data with statistics that are closer to the distributions of the unlabeled target data.
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Viele Methoden wurden in dieser Arbeit vorgestellt, die sich mit dem Hauptziel der automatischen Dokumentenanalyse auf semantischer Ebene befassen. Um das Hauptziel zu erreichen, mussten wir jedoch zunächst eine solide Basis entwickeln, um das Gesamtbild zu vervollständigen. So wurden verschiedene Methoden und Werkzeuge entwickelt, die verschiedene Aspekte des NLP abdecken. Das Zusammenspiel dieser Methoden ermöglichte es, unser Ziel erfolgreich zu erreichen. Neben der automatischen Dokumentenanalyse legen wir großen Wert auf die drei Prinzipien von Effizienz, Anwendbarkeit und Sprachunabhängigkeit. Dadurch waren die entwickelten Tools für die Anwendungen bereit. Die Größe und Sprache der zu analysierenden Daten ist kein Hindernis mehr, zumindest für die im Bezug auf die von Wikipedia unterstützten Sprachen.
Einen großen Beitrag dazu leistete TextImager, das Framework, dass für die zugrunde liegende Architektur verschiedener Methoden und die gesamte Vorverarbeitung der Texte verantwortlich ist. TextImager ist als Multi-Server und Multi-Instanz-Cluster konzipiert, sodass eine verteilte Verarbeitung von Daten ermöglicht wird. Hierfür werden Cluster-Management-Dienste UIMA-AS und UIMA-DUCC verwendet. Darüber hinaus ermöglicht die Multi-Service-Architektur von TextImager die Integration beliebiger NLP-Tools und deren gemeinsame Ausführung. Zudem bietet der TextImager eine webbasierte Benutzeroberfläche, die eine Reihe von interaktiven Visualisierungen bietet, die die Ergebnisse der Textanalyse darstellen. Das Webinterface erfordert keine Programmierkenntnisse - durch einfaches Auswählen der NLP-Komponenten und der Eingabe des Textes wird die Analyse gestartet und anschließend visualisiert, so dass auch Nicht-Informatiker mit diesen Tools arbeiten können.
Zudem haben wir die Integration des statistischen Frameworks R in die Funktionalität und Architektur von TextImager demonstriert. Hier haben wir die OpenCPU-API verwendet, um R-Pakete auf unserem eigenen R-Server bereitzustellen. Dies ermöglichte die Kombination von R-Paketen mit den modernsten NLP-Komponenten des TextImager. So erhielten die Funktionen der R-Pakete extrahierte Informationen aus dem TextImager, was zu verbesserten Analysen führte.
Darüber hinaus haben wir interaktive Visualisierungen integriert, um die von R abgeleiteten Informationen zu visualisieren.
Einige der im TextImager entwickelten Visualisierungen sind besonders herausragend und haben in vielen Bereichen Anwendung gefunden. Ein Beispiel dafür ist PolyViz, ein interaktives Visualisierungssystem, das die Darstellung eines multipartiten Graphen ermöglicht. Wir haben PolyViz anhand von zwei verschiedenen Anwendungsfällen veranschaulicht.
SemioGraph, eine Visualisierungstechnik zur Darstellung multikodaler Graphen wurde auch vorgestellt. Die visuellen und interaktiven Funktionen von SemioGraph wurden mit einer Anwendung zur Visualisierung von Worteinbettungen vorgestellt. Wir haben gezeigt, dass verschiedene Modelle zu völlig unterschiedlichen Grafiken führen können. So kann Semiograph bei der Suche nach Worteinbettungen für bestimmte NLP-Aufgaben helfen.
Inspiriert von all den Textvisualisierungen im TextImager ist die Idee für text2voronoi geboren. Hier stellten wir einen neuartigen Ansatz zur bildgetriebenen Textklassifizierung vor, der auf einem Voronoi-Diagram linguistischer Merkmale basiert. Dieser Klassifikationsansatz wurde auf die automatische Patientendiagnose angewendet und wir haben gezeigt, dass wir das traditionelle Bag-Of-Words-Modell sogar übertreffen. Dieser Ansatz ermöglicht es, die zugrunde liegenden Merkmale anschließend zu analysieren und damit einen ersten Schritt zur Lösung der Black Box zu machen.
Wir haben text2voronoi auf literarische Werke angewendet und die entstandenen Visualisierungen auf einer webbasierten Oberfläche (LitViz) präsentiert. Hier ermöglichen wir den Vergleich von Voronoi-Diagrammen der verschiedenen Literaturen und damit den visuellen Vergleich der Sprachstile der zugrunde liegenden Autoren.
Mit unserer Kompetenz in der Vorverarbeitung und der Analyse von Texten sind wir unserem Ziel der semantischen Dokumentenanalyse einen Schritt näher gekommen. Als nächstes haben wir die Auflösung der Sinne auf der Wortebene untersucht. Hier stellten wir fastSense vor, ein Disambigierungsframework, das mit großen Datenmengen zurecht kommt. Um dies zu erreichen, haben wir einen Disambiguierungskorpus erstellt, der auf Wikipedias 221965 Disambiguierungsseiten basiert, wobei die sich auf 825179 Sinne beziehen. Daraus resultierten mehr als 50 Millionen Datensätze, die fast 50 GB Speicherplatz benötigten. Wir haben nicht nur gezeigt, dass fastSense eine so große Datenmenge problemlos verarbeiten kann, sondern auch, dass wir mit unseren Wettbewerbern mithalten und sie bei einigen NLP-Aufgaben sogar übertreffen können.
Jetzt, da wir den Wörtern Sinne zuordnen können, sind wir der semantischen Dokumentenanalyse einen weiteren Schritt näher gekommen. Je mehr Informationen wir aus einem Text und seinen Wörtern gewinnen können, desto genauer können wir seinen Inhalt analysieren. Wir stellten zudem einen netzwerktheoretischen Ansatz zur Modellierung der Semantik großer Textnetzwerke am Beispiel der deutschen Wikipedia vor. Zu diesem Zweck haben wir einen Algorithmus namens text2ddc entwickelt, um die thematische Struktur eines Textes zu modellieren. Dabei basiert das Modell auf einem etablierten Klassifikationsschema, nämlich der Dewey Decimal Classification. Mit diesem Modell haben wir gezeigt, wie man aus der Vogelperspektive die Hervorhebung und Verknüpfung von Themen, die sich in Millionen von Dokumenten manifestiert, darstellt. So haben wir eine Möglichkeit geschaffen, die thematische Dynamik von Dokumentnetzwerken automatisch zu visualisieren. Die Trainings- und Testdaten, die wir in diesem Kapitel hatten, bestanden jedoch hauptsächlich aus kurzen Textausschnitten. Zudem haben wir DDC Korpora erstellt, indem wir Informationen aus Wikidata, Wikipedia und der von der Deutschen Nationalbibliothek verwalteten Gemeinsamen Normdatei (GND) vereinigt haben. Auf diese Weise konnten wir nicht nur die Datenmenge erhöhen, sondern auch Datensätze für viele bisher unzugängliche Sprachen erstellen. Wir haben text2ddc so weit optimiert, dass wir einen F-score von 87.4% erzielen für die 98 Klassen der zweiten DDC-Stufe. Die Vorverarbeitung von TextImager und die Disambiguierung durch fastSense hatten einen großen Einfluss darauf. Für jedes Textstück berechnet text2ddc eine Wahrscheinlichkeitsverteilung über die DDC-Klassen berechnen
Der klassifikatorinduzierte semantische Raum von text2ddc wurde auch zur Verbesserung weiterer NLP-Methoden genutzt. Dazu gehört auch text2wiki, ein Framework für automatisches Tagging nach dem Wikipedia-Kategoriensystem. Auch hier haben wir einen klassifikatorinduzierten semantischen Raum, aber diesmal basiert er auf dem Wikipedia-Kategoriensystem. Ein großer Vorteil dieses Modells ist die Präzision und Tiefe der behandelten Themen und das sich ständig weiterentwickelnde Kategoriesystem. Damit sind auch die Kriterien eines offenen Themenmodells erfüllt. Um die Vorteile von text2wiki zu demonstrieren, haben wir anschließend die von text2wiki bereitgestellten Themenvektoren verwendet, um text2ddc zu verbessern, so dass sich beide Systeme gegenseitig verbessern können. Die Synergie zwischen den erstellten Methoden in dieser Dissertation war entscheidend für den Erfolg jeder einzelnen Methode.
In the first part of the thesis, we show that the payment flow of a linear tax on trading gains from a security with a semimartingale price process can be constructed for all càglàd and adapted trading strategies. It is characterized as the unique continuous extension of the tax payments for elementary strategies w.r.t. the convergence "uniformly in probability". In this framework, we prove that under quite mild assumptions dividend payoffs have almost surely a negative effect on investor’s after-tax wealth if the riskless interest rate is always positive. In addition, we give an example for tax-efficient strategies for which the tax payment flow can be computed explicitly.
In the second part of the thesis, we investigate the impact of capital gains taxes on optimal investment decisions in a quite simple model. Namely, we consider a risk neutral investor who owns one risky stock from which she assumes that it has a lower expected return than the riskless bank account and determine the optimal stopping time at which she sells the stock to invest the proceeds in the bank account up to the maturity date. In the case of linear taxes and a positive riskless interest rate, the problem is nontrivial because at the selling time the investor has to realize book profits which triggers tax payments. We derive a boundary that is continuous and increasing in time, and decreasing in the volatility of the stock such that the investor sells the stock at the first time its price is smaller or equal to this boundary.
Die Emergenz digitaler Netzwerke ist auf die ständige Entwicklung und Transformation neuer Informationstechnologien zurückzuführen.
Dieser Strukturwandel führt zu äußerst komplexen Systemen in vielen verschiedenen Lebensbereichen.
Es besteht daher verstärkt die Notwendigkeit, die zugrunde liegenden wesentlichen Eigenschaften von realen Netzwerken zu untersuchen und zu verstehen.
In diesem Zusammenhang wird die Netzwerkanalyse als Mittel für die Untersuchung von Netzwerken herangezogen und stellt beobachtete Strukturen mithilfe mathematischer Modelle dar.
Hierbei, werden in der Regel parametrisierbare Zufallsgraphen verwendet, um eine systematische experimentelle Evaluation von Algorithmen und Datenstrukturen zu ermöglichen.
Angesichts der zunehmenden Menge an Informationen, sind viele Aspekte der Netzwerkanalyse datengesteuert und zur Interpretation auf effiziente Algorithmen angewiesen.
Algorithmische Lösungen müssen daher sowohl die strukturellen Eigenschaften der Eingabe als auch die Besonderheiten der zugrunde liegenden Maschinen, die sie ausführen, sorgfältig berücksichtigen.
Die Generierung und Analyse massiver Netzwerke ist dementsprechend eine anspruchsvolle Aufgabe für sich.
Die vorliegende Arbeit bietet daher algorithmische Lösungen für die Generierung und Analyse massiver Graphen.
Zu diesem Zweck entwickeln wir Algorithmen für das Generieren von Graphen mit vorgegebenen Knotengraden, die Berechnung von Zusammenhangskomponenten massiver Graphen und zertifizierende Grapherkennung für Instanzen, die die Größe des Hauptspeichers überschreiten.
Unsere Algorithmen und Implementierungen sind praktisch effizient für verschiedene Maschinenmodelle und bieten sequentielle, Shared-Memory parallele und/oder I/O-effiziente Lösungen.